Os cientistas descobriram que as moléculas embaralham informações quânticas a taxas comparáveis às dos buracos negros, afetando as reações químicas e oferecendo insights para controlar os sistemas de computação quântica. Crédito: SciTechDaily.com
Uma pesquisa da Universidade Rice e da Universidade de Illinois Urbana-Champaign mostrou que as moléculas podem embaralhar informações quânticas tão eficazmente quanto os buracos negros, com implicações para a física química e Computação quântica.
Se você jogasse uma mensagem contida em uma garrafa em um buraco negro, todas as informações contidas nele, até o nível quântico, ficariam completamente embaralhadas. Como nos buracos negros esta confusão acontece tão rápida e completamente quanto a mecânica quântica permite, eles são geralmente considerados os derradeiros misturadores de informação da natureza.
Uma nova pesquisa do teórico da Universidade Rice, Peter Wolynes, e de colaboradores da Universidade de Illinois Urbana-Champaign, no entanto, mostrou que as moléculas podem ser tão formidáveis na mistura de informações quânticas quanto os buracos negros. Combinando ferramentas matemáticas da física dos buracos negros e da física química, eles mostraram que a confusão de informações quânticas ocorre em reações químicas e pode atingir quase o mesmo limite da mecânica quântica que ocorre nos buracos negros. O trabalho está publicado on-line no Anais da Academia Nacional de Ciências.
Reações Químicas e Embaralhamento Quântico
“Este estudo aborda um problema de longa data na física química, que tem a ver com a questão de quão rápido a informação quântica é embaralhada nas moléculas”, disse Wolynes. “Quando as pessoas pensam em uma reação em que duas moléculas se unem, elas pensam que os átomos realizam apenas um único movimento onde uma ligação é feita ou quebrada.
“Mas do ponto de vista da mecânica quântica, mesmo uma molécula muito pequena é um sistema muito complicado. Muito parecido com as órbitas do sistema solar, uma molécula tem um grande número de estilos possíveis de movimento – coisas que chamamos de estados quânticos. Quando ocorre uma reação química, a informação quântica sobre os estados quânticos dos reagentes fica embaralhada, e queremos saber como a confusão de informações afeta a taxa de reação.”
Chenghao Zhang (esquerda) e Sohang Kundu. Crédito: Foto de Zhang por Bill Wiegand/Universidade de Illinois Urbana-Champaign; foto de Kundu cortesia de Sohang Kundu
Para entender melhor como a informação quântica é embaralhada nas reações químicas, os cientistas pegaram emprestada uma ferramenta matemática normalmente usada na física dos buracos negros, conhecida como correlacionadores de ordem fora do tempo, ou OTOCs.
“Os OTOCs foram inventados em um contexto muito diferente há cerca de 55 anos, quando foram usados para observar como os elétrons em supercondutores são afetados por perturbações causadas por uma impureza”, disse Wolynes. “Eles são um objeto muito especializado usado na teoria da supercondutividade. Eles foram usados em seguida por físicos na década de 1990, estudando buracos negros e teoria das cordas.”
Os OTOCs medem o quanto o ajuste de uma parte de um sistema quântico em algum momento afetará os movimentos das outras partes – fornecendo informações sobre a rapidez e eficácia com que a informação pode se espalhar por toda a molécula. Eles são o análogo quântico dos expoentes de Lyapunov, que medem a imprevisibilidade em sistemas caóticos clássicos.
“A rapidez com que um OTOC aumenta com o tempo indica a rapidez com que as informações estão sendo embaralhadas no sistema quântico, o que significa quantos estados de aparência aleatória estão sendo acessados”, disse Martin Gruebele, químico de Illinois Urbana-Champaign e coautor do livro. estudo que faz parte do Centro Conjunto Rice-Illinois para Adaptação de Falhas como Recursos, financiado pela National Science Foundation. “Os químicos estão muito em conflito com o embaralhamento nas reações químicas, porque o embaralhamento é necessário para atingir o objetivo da reação, mas também atrapalha o seu controle sobre a reação.
“Compreender em que circunstâncias as moléculas embaralham informações e em que circunstâncias elas potencialmente não o fazem nos dá uma ideia de como realmente podemos controlar melhor as reações. Conhecer os OTOCs basicamente nos permite estabelecer limites sobre quando essas informações estão realmente desaparecendo do nosso controle e, inversamente, quando ainda podemos aproveitá-las para ter resultados controlados.”
Peter Wolynes (da esquerda), Nancy Makri e Martin Gruebele. Crédito: Foto de Wolynes Gustavo Raskosky/Rice University; foto de Makri cortesia de Nancy Makri; foto de Gruebele por Fred Zwicky / Universidade de Illinois Urbana-Champaign
Na mecânica clássica, uma partícula deve ter energia suficiente para superar uma barreira de energia para que ocorra uma reação. No entanto, na mecânica quântica, existe a possibilidade de que as partículas possam “tunelar” através desta barreira mesmo que não possuam energia suficiente. O cálculo dos OTOCs mostrou que as reações químicas com baixa energia de ativação em baixas temperaturas, onde predomina o tunelamento, podem embaralhar informações quase no limite quântico, como um buraco negro.
Nancy Makri, também química em Illinois Urbana-Champaign, usou métodos de integral de caminho que desenvolveu para estudar o que acontece quando o modelo de reação química simples é incorporado em um sistema maior, que poderia ser as vibrações da própria molécula grande ou um solvente, e tende a para suprimir o movimento caótico.
“Num estudo separado, descobrimos que ambientes grandes tendem a tornar as coisas mais regulares e a suprimir os efeitos de que estamos a falar”, disse Makri. “Portanto, calculamos o OTOC para um sistema de túneis interagindo com um ambiente grande, e o que vimos foi que a confusão foi extinta – uma grande mudança no comportamento.”
Aplicações Práticas e Pesquisas Futuras
Uma área de aplicação prática para os resultados da pesquisa é estabelecer limites sobre como os sistemas de tunelamento podem ser usados para construir qubits para computadores quânticos. É preciso minimizar o embaralhamento de informações entre sistemas de tunelamento em interação para melhorar a confiabilidade dos computadores quânticos. A pesquisa também pode ser relevante para reações acionadas pela luz e design de materiais avançados.
“Há potencial para estender essas ideias a processos onde você não estaria apenas tunelando em uma reação específica, mas onde você teria múltiplas etapas de tunelamento, porque é isso que está envolvido, por exemplo, na condução de elétrons em muitas das novas tecnologias suaves. materiais quânticos como perovskitas que estão sendo usados para fabricar células solares e coisas assim”, disse Gruebele.
Referência: “Embaralhamento de informações quânticas e reações químicas” por Chenghao Zhang, Sohang Kundu, Nancy Makri, Martin Gruebele e Peter G. Wolynes, 1º de abril de 2024, Anais da Academia Nacional de Ciências.
DOI: 10.1073/pnas.2321668121
Wolynes é professor de ciências da Fundação DR Bullard-Welch da Rice, professor de química, bioquímica e biologia celular, física e astronomia e ciência de materiais e nanoengenharia e codiretor de seu Centro de Física Teórica Biológica, que é financiado pela National Science Fundação. Co-autores Gruebele é o James R. Eiszner Endowed Chair in Chemistry; Makri é professor Edward William e Jane Marr Gutgsell e professor de química e física; Chenghao Zhang era estudante de pós-graduação em física em Illinois Urbana-Champaign e agora é pós-doutorado no Pacific Northwest National Lab; e Sohang Kundu recebeu recentemente seu Ph.D. em química pela Universidade de Illinois e atualmente é pós-doutorado na Universidade Columbia.
A pesquisa foi apoiada pela National Science Foundation (1548562, 2019745, 1955302) e pela Bullard-Welch Chair at Rice (C-0016).
